| 单词 | 机构平衡 |
| 释义 | 【机构平衡】 机械运转时，构件产生的惯性力和惯性力矩由运动副传到机架，这些力和力矩可合成一个所谓“摆动力”和“摆动力矩”。机架在摆动力和摆动力矩作用下，将引起振动和噪音；同时，由于惯性载荷在运动副中的作用，加剧了轴承的磨损和损坏。机构平衡就是通过某些措施来消除或减少由这些力和力矩等所引起的不良后果。 机构平衡是机械动力学中的一个重要课题，从过去研究课题看，人们对平面机构的研究远较空间机构的充分，主要研究的是机构摆动力的平衡，实现了某些机构摆动力的完全平衡或摆动力的第一、第二阶谐量的平衡。而对摆动力矩平衡的研究较少，一般只能平衡其第一阶谐量。处理机构平衡的措施有：(1)附加平衡质量(或称“配重”)；(2)附加平衡机构；(3)附加弹簧、阻尼元件等。其中附加平衡质量用得较广。有关机构平衡理论的研究，70年代以前，多半集中于对简单的平面连杆机构摆动力平衡的探讨，除一般用“质量静替代”，导出机构摆动力的平衡条件外，还用所谓“构件虚质心向量”(如mi为质心无偏置构件i的质量，设构件i与其左右相邻构件的铰链中心各为A、B，把所有联结在铰链A前的构件的质量集中在A点，得质量∑mA；把所有联接在铰链B后的构件的质量集中在B点，得质量∑mB，对A、B中一点如A取矩，求出含有质量mi、∑mA、∑mB的构件的总质心Hi，Hi即为构件i的虚质心。自A向Hi作出的向量称虚质心向量)来确定机构质心位置，从而导出机构摆动力的平衡条件。要满足这些平衡条件有时是很困难的，即使满足了，但有些机构因配重后构件的质量分布不当，或因引起过大的轴承载荷，在实用上就很难采用。从文献看，当时有关平面机构摆动力矩和空间机构平衡问题的报道较少。70年代以来，连杆机构平衡仍是研究中的活跃课题。研究的主要问题有：摆动力的平衡、摆动力矩的平衡、输入扭矩波动和输入角速度波动的平衡、机构的综合平衡、平衡质量的最少数等。从研究的机构类型看，对平面连杆机构的研究较深入，而对空间连杆机构的研究也是近年来的热点。摆动力平衡、摆动力矩平衡、机构的综合平衡：1969年贝考夫(R．S．Berkof)、劳恩(G．G．Lowen)提出的“线性独立向量法”首次解决了4杆、6杆机构摆动力完全平衡问题，该法基于机构运动时保持其质心位置不变的思想，列出机构质心位置的向量表达式，然后将式中的时间有关项系数设为零，导出了摆动力完全平衡时机构各构件质量分布条件。线性独立向量法在理论上是无可非议的，但在实际应用中，按该法导出的平衡质量参数(平衡质量的大小、尺寸)有时是不合适的，另外，由于没有考虑摆动力的变化对摆动力矩、轴承动反力、输出扭矩波动等影响，正如泰博(F．R．Tepper)、劳恩(G．G．Lowen)在对质心无偏置4杆机构计算中所说明的：摆动力完全平衡后，摆动力矩一般较平衡前约增加50%。各轴承反力约增加100%，因此该方法在实际应用中的可行性尚可推敲，但其在理论上的完备性仍不失为以后研究工作的基础。1971年贝考夫、劳恩在摆动力完全平衡条件下，对摆动力矩均方根进行优化，从理论上说明了在前述条件下，再要平衡部分摆动力矩是可能的。1973年贝考夫又用附加平衡质量和平衡机构并举的方法，第1次实现了质心无偏置4杆机构摆动力和摆动力矩的完全平衡。此后，在摆动力完全平衡条件下，不少学者对机构摆动力矩的平衡问题进行了大量研究。1976年维德里茨(J．L．Wiederrich)、罗斯(B．Roth)在不直接处理摆动力矩情况下，通过机构对曲柄固定铰链中心的动量矩的分析，得出了在摆动力完全平衡条件下，平衡摆动力矩的优化方程，并首次指出用质心偏置构件实现摆动力矩平衡的优越性。1977年，伊廖特(J．L．Elliott)、泰萨(D．Tesar)通过对驱动轴中心取矩，得到了机构惯性力矩的线性组合，借此导出与贝考夫不同的平衡4杆机构全部摆动力和摆动力矩的表达式，1982年，他们又把这种方法附加平衡质量和平衡机构并举的方法，得出了具有移动副的4、5、6杆机构和全铰链8杆机构摆动力和摆动力矩完全平衡的条件。由于上述结论都是在摆动力完全平衡的前提下得出的，这对摆动力矩、轴承动反力和输入扭矩波动等的恶化会有较大的影响。此外，贝考夫等所用的方法将会成倍地加大机构的质量，并使轴承动反力和输入扭矩大大增加。因此摒弃以摆动力完全平衡为前提，寻找机构最佳平衡状态必然是人们所祈求的。为了实现机构优化综合平衡，许多学者从各不同侧面对机构的优化平衡进行了探讨。综合平衡的主要参数有：摆动力、摆动力矩、轴承动反力、输入扭矩波动等。波特(B．Porter)、桑格(D．J．Sanger)取摆动力、摆动力矩、轴承动反力和输入扭矩的均方根加权和为目标，求得了质心无偏置机构的平衡质量。多目标优化在数学上是一个难题，目前常采用多目标向单目标转化后求解，而且多目标优化，往往使各优化指标都改善不多，这对平衡具体机构时所要优化的主要指标是不利的。卡松(W．L．Carson)、斯蒂芬思(J．M．Stephens)建议在保证机构原运动基本不变情况下，改变机构尺寸，对摆动力、摆动力矩进行优化平衡，这对设计新机构是可行的，对已有机构就无法实行了。有人提出在限制轴承动反力情况下，优化摆动力平衡；也有人提出了限制摆动力、优化轴承动反力的的方法；还有人提出优化摆动务和输入扭矩波动的平衡和优化摆动力、摆动力矩、轴承动反力的平衡。求解空间连杆机构的平衡，难度较大。20年来，大量工作处于对某些机构(如RSSR RSS′P等)平衡条件的探索。在研究方法上，不少学者致力于把研究平面机构的方法推广到空间机构中去。1971年，考夫曼(R．E．Kaufman)、桑德(G．N．Sander)借张量算子把线性独立向量法引用到空间机构中，解决了RSSR、RSSP机构摆动力完全平衡的条件，但经配置平衡质量的RSSP机构，摆动力矩比原来猛增23倍，连杆质量增加了21倍，显然在实用上是困难的。也有文献通过坐标变换矩阵把线性独立向量法引入，以求解摆动力的平衡条件。1972年，康斯坦诺夫(M．S．Konstantiiov)、珍诺娃(P．J．Gemova)用质量静替代法解决了RSSR机构摆动力平衡条件。也有文献把平面机构中的“广义质量替代法”推广来求解摆动力平衡条件。80年代中国有人首次提出了空间连杆机构摆动力完全平衡的一般方法，对单环、多环、球面等空间连杆机构的摆动力完全平衡都作了大量研究；还提出了计算最少平衡质量数的方法。80年代有人研究了空间连杆机构摆动力和摆动力矩的综合平衡，用配置平衡质量对球面机构的摆动力和摆动力矩进行了优化综合平衡；通过在输出杆上附加机构对RSS′R的摆动力、摆动力矩进行了优化综合平衡。输入扭矩波动平衡、输入角速度波动平衡：一般用飞轮来平衡，也有人研究用配置平衡质量、杆组、弹簧、非圆齿轮机构等来解决这些波动的完全或部分平衡。关于弹性连杆机构平衡问题的研究尚处于起步阶段，研究对象多半为弹性平面连杆机构摆动力、摆动力矩的平衡。此外，不少连杆机构是不能只用配置平衡质量来达到摆动力完全平衡的。从机构平衡的现状看，不少课题正在深入和开展，如：(1)平面多杆、多自由度机构的平衡；(2)空间连杆机构的平衡；(3)弹性连杆机构的平衡；(4)连杆机构的多目标优化平衡。这些课题将是人们研究的热点。机构平衡的实验研究正在开展，从实际应用看，这方面的研究将会给工程设计提供更简明、有效、可行性大的机构平衡方法和措施，各种新技术的发展，必将给机构平衡带来影响，把新技术引进机构平衡研究领域，创出新的平衡理论和方法，使机械在轻型、高速、低耗和稳静状态下工作。【参考文献】：1 Berkof R S，Lowen G G．Trans．of the ASME，1969，21～262 Berkof R S，Lowen G G．Trans．of the ASME，1971，53～603 Berkof R S．MMT，1973，397～4104 Haines R S．MMT，1981，165 GaoFeng，MMT，1990，25(2)：183～1926 GaoFeng，MMT，1991，26(2)：197～206(曹龙华撰) |
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